1 操作系统和文件Cache管理
操作系统是计算机上最为重要的软件，他负责管理计算机的各种硬件资源，并将这些物理资源抽象成各种接口供上层应用使用。所以从程序的角度看，操作系统就好比是一个虚拟机，这个虚拟机不提供各种硬件资源的具体细节，而仅仅提供进程、文件、地址空间以及进程间通信等等逻辑概念。
对于存储设备上的数据，操作系统向应用程序提供的逻辑概念就是“文件”。应用程序要存储或访问数据时，只需要向这个文件读或者写入内容即可，而文件与物理存储设备的交互则由操作系统提供。
2 文件Cache的地位和作用
文件Cache是文件在数据内存中的副本，因此文件Cache管理与内存管理系统和文件系统相关：一方面文件Cache作为物理内存的一部分，需要参与内存的分配与回收。另一方面，cache中的数据来源于存储设备上的文件，需要通过文件系统与存储设备进行读写交互。
如图1所示，具体的文件系统，比如ext2/ext2,jfs，ntfs等等负责在文件Cache和存储设备之间交换数据，位于文件系统之上的虚拟文件系统VFS负责在应用程序和文件Cache之间通过read和write等接口交换数据。内存管理系统负责内存的分配与回收，同时虚拟内存管理系统（VMM）则允许应用程序和文件Cache之间通过memory map的方式交换数据。
3 文件Cache的相关数据结构
在Linux的实现中，文件Cache分为两个层面，page cache和buffer cache。每一个page cache包含若干个buffer cache。VFS负责page cache和用户空间的数据交换;内存管理系统负责page cache的分配与回收，同时在使用memory map访问时负责建立映射。而具体的文件系统则与buffer cache进行交互，将外围存储设备上的数据和buffer cache之间进行交换。
在Linux内核中，文件的每个数据块最多只能对应一个page cache项，其通过两个数据结构管理，一个radix tree另一个就是双向链表。radix tree是一个搜索树，linux利用这个数据结构来通过文件内偏移快速丁文cache项。下图是radix tree的⼀一个⽰示意图,该radix tree 的分叉为4(22),树⾼高为4,⽤用来快速定位8位⽂文件内偏移。Linux(2.6.7)内核中的分叉为 64(26),树⾼高为6(64位系统)或者11(32位系统),⽤用来快速定位32 位或者64 位偏移,radix tree中的每⼀一个叶⼦子节点指向⽂文件内相应偏移所对应的Cache项。
另⼀一个数据结构是双向链表,Linux内核为每⼀一⽚片物理内存区域(zone)维护active_list和inactive_list两个双向链表,这两个list主要⽤用来实现物理内存的回收。这两个链表上除了⽂文件Cache之外,还包括其它匿名(Anonymous)内存,如进程堆栈等。
4 文件Cache的预读和替换
Linux内核中文件预读算法的具体过程是这样的：对于每个文件的第一个读请求，系统读入所请求的页面并读入紧随其后的少数几个页面(不少于一个页面，通常是三个页面)，这时的预读称为同步预读。对于第二次读请求，如果所读页面不在Cache中，即不在前次预读的group中，则表明文件访问不是顺序访问，系统继续采用同步预读；如果所读页面在Cache中，则表明前次预读命中，操作系统把预读group扩大一倍，并让底层文件系统读入group中剩下尚不在Cache中的文件数据块，这时的预读称为异步预读。无论第二次读请求是否命中，系统都要更新当前预读group的大小。此外，系统中定义了一个window，它包括前一次预读的group和本次预读的group。任何接下来的读请求都会处于两种情况之一：第一种情况是所请求的页面处于预读window中，这时继续进行异步预读并更新相应的window和group；第二种情况是所请求的页面处于预读window之外，这时系统就要进行同步预读并重置相应的window和group。图5是Linux内核预读机制的一个示意图，其中a是某次读操作之前的情况，b是读操作所请求页面不在window中的情况，而c是读操作所请求页面在window中的情况。
Linux内核中文件Cache替换的具体过程是这样的：刚刚分配的Cache项链入到inactive_list头部，并将其状态设置为active，当内存不够需要回收Cache时，系统首先从尾部开始反向扫描active_list并将状态不是referenced的项链入到inactive_list的头部，然后系统反向扫描inactive_list，如果所扫描的项的处于合适的状态就回收该项，直到回收了足够数目的Cache项。
5 文件Cache相关API及其实现
Linux内核中与文件Cache操作相关的API有很多，按其使用方式可以分成两类：一类是以拷贝方式操作的相关接口， 如read/write/sendfile等，其中sendfile在2.6系列的内核中已经不再支持；另一类是以地址映射方式操作的相关接口，如mmap等。
第一种类型的API在不同文件的Cache之间或者Cache与应用程序所提供的用户空间buffer之间拷贝数据，其实现原理如图7所示。
第二种类型的API将Cache项映射到用户空间，使得应用程序可以像使用内存指针一样访问文件，Memory map访问Cache的方式在内核中是采用请求页面机制实现的，其工作过程如图8所示。
首先，应用程序调用mmap（图中1），陷入到内核中后调用do_mmap_pgoff（图中2）。该函数从应用程序的地址空间中分配一段区域作为映射的内存地址，并使用一个VMA（vm_area_struct）结构代表该区域，之后就返回到应用程序（图中3）。当应用程序访问mmap所返回的地址指针时（图中4），由于虚实映射尚未建立，会触发缺页中断（图中5）。之后系统会调用缺页中断处理函数（图中6），在缺页中断处理函数中，内核通过相应区域的VMA结构判断出该区域属于文件映射，于是调用具体文件系统的接口读入相应的Page Cache项（图中7、8、9），并填写相应的虚实映射表。经过这些步骤之后，应用程序就可以正常访问相应的内存区域了。
